(整理)最大气泡法测表面张力

最大气泡法测表面张力实验讲义1

最大气泡法测定表面张力

一、 实验目的

1、 用气泡最大压力法测定乙醇水溶液的表面张力。从而计算溶液在某一浓度C时的表面吸附量；

2、 学会使用表面张力试验组合装置；

3、 学会对lnC作图求。

二、 实验原理

1、 在指定温度下，纯液体的表面张力是一定的，如果在液体中加入溶质而成溶液时，情况就发生了变化。我们说溶液的表面张力不仅与温度有关，而且也与溶液的种类，溶液浓度有关。这是由于溶液中部分溶质分子进入到溶液表面，使表面层的分子组成发生了改变，分子间引力起了变化，因而表面张力也随着改变，根据实验结果证明，加入溶质以后表面张力发生改变的同时还发现溶液表面层的浓度与内部浓度有何差别，有些溶液表面层浓度大于溶液内部浓度，有些恰恰相反，这种现象称为溶液浓度表面吸附作用。

按吉布斯吸附等温式CddRTdcdRTCln1，其中代表溶液浓度为C时的表面吸附量（mol/cm2），C代表平衡时溶液浓度（mol/1），R为气体常数（8315×107mol·K），T为吸附时的温度。

由上（1）式可看出，在一定温度时，溶液表面吸附量是与平衡时溶液浓度C和表面活度dcd或cddln成正比关系。

当dcd＜0时，＞0，表示溶液表面张力随浓度增加而降低，则溶液表面发生正吸附。

我们把能产生显著正吸附的物质（即有显著降低溶液表面张力的物质）称为表面活性物质。本实验用表面活性物质十六烷基三甲基溴化铵配制成一系列不同浓度的水溶液，分别测定这些溶液的表面张力，然后以对lgC作图，得一曲线，求曲线上某一点的斜率（d/dlgC），可计算相应于该点浓度时溶液的表面吸附量。

2、 本实验测定各溶液的表面张力采用气泡最大压力法，此法原理的当毛细管与液面相接触时，由毛细管内加压（或在溶液体系内减压）则可以在液面的毛细管出口处形成气泡。如果毛细管半径很小，当开始形成气泡时，表面几乎是平的，即这时的曲率半径最大，随着气泡的形成，曲率半径逐渐变小直到形成半球形，这时曲率半径R与毛细管半径r相等，曲率半最大气泡法测表面张力实验讲义2

表面张力最大气泡法测表面张力

表面张力最大气泡法测表面张力

2010-12-11最大气泡法测表面张力实验中,理论计算所得值与实验测得数值存在偏差的因素是什么?1:首先要保证装置不能有一点点漏气,所以在玻璃装置的某些接口处涂点凡士林不知道会不会有点效果。2:要保证毛细管尖端的洁净与完好无损,但实际中总是会有点缺陷,如果将毛细管尖端换成是一次性的东西,然后再与毛细管相连,但这样之后就可能不能保证整个毛细管的垂直,所以还不是很清楚这样的可行性。3:要求毛细管与液面相切,但实际中可能做不到;但伸入液面△h的话,测出来的又不是表面的张力,所以不知道如果解决这个问题。4:表面吸附量г是指单位面积的表层中所含溶质的量与具有相同质量溶剂的本体溶液中所含溶质的量之差。因此,当浓度较低时,由于溶质优先排布在溶液表面层,使г随浓度增加而增加。但当浓度增大到一定值后,再增加溶质浓度,必定使溶质在表面层的浓度与在体相中的浓度之差越来越小,直到浓度无限大时,这个差值为零。而我们实验中是近似地忽略掉溶液本体的溶质量的,所以可能存在一点点偏差。5:在实验数据处理的时候我们是用origin代替excel的粗略拟和,不知道是否存在比origin更为精确的软件,我看到有介绍matlab也是个比较好的数据处理软件,但是不会用,不知道其效果怎么样的。以上几点也算是我的总结。但是我想说的是很抱歉老师,我不能在您的指导下共同完成这篇我很欢喜的论文了。虽然我一直表现地很热情高涨,可是每次我问一起的施国忠关于论文的事情老师到底是怎么布置的(因为那天我来的时候老师已经布置好了),他总是不告诉我,似乎表现地很不愿跟我一起做这篇论文,既然这样那我想还是退出好了,为了这个而搞的不开心也真没必要,所以我想想还是算了。很抱歉,让老师您失望了。最大气泡法测表面张力【注意事项】(如果注意事项都不满足当然会有偏差)仪器系统不能漏气.所用毛细管必须干净,干燥,应保持垂直,其管口刚好与液面相切.读取压力计的压差时,应取气泡单个逸出时的最大压力差.造成的原因可能有毛细管没有与液面相切,放置时没有垂直液面,导致形成的气泡压力不稳定无法稳定测量.另外实验测试的数据只有一组,偶然性质太大,没有更多的数据来进行对比还有温度的影响,正常的数据统一使用20摄氏度下的物质各项数值实验二十表面张力的测定――最大气泡法一、实验目的1.掌握最大气泡法测定表面张力的原理和技术。2.通过对不同浓度正丁醇溶液表面张力的测定,加深对表面张力、表面自由能和表面吸附量关系的理解。3.学习用matlab处理实验数据。4.使用《管理系统》完成实验。二、实验原理图20-1分子间作用力示意图在液体的内部任何分子周围的吸引力是平衡的。可是在液体表面层的分子却不相同。因为表面层的分子,一方面受到液体内层的邻近分子的吸引,另一方面受到液面外部气体分子的吸引,而且前者的作用要比后者大。因此在液体表面层中,每个分子都受到垂直于液面并指向液体内部的不平衡力(如图20-l所示)。这种吸引力使表面上的分子向内挤促成液体的最小面积。要使液体的表面积增大就必须要反抗分子的内向力而作功增加分子的位能。所以说分子在表面层比在液体内部有较大的位能,这位能就是表面自由能。通常把增大一平方米表面所需的最大功a或增大一平方米所引起的表面自由能的变化值δg称为单位表面的表面能其单位为j.m-3。而把液体限制其表面及力图使它收缩的单位直线长度上所作用的力,称为表面张力,其单位是nm-1。液体单位表面的表面能和它的表面张力在数值上是相等的。欲使液体表面积增加△s时,所消耗的可逆功a为:-a=△g=σ△s液体的表面张力与温度有关,温度愈高,表面张力愈小。到达临界温度时,液体与气体不分,表面张力趋近于零。液体的表面张力也与液体的纯度有关。在纯净的液体(溶剂)中如果掺进杂质(溶质),表面张力就要发生变化,其变化的大小决定于溶质的本性和加入量的多少。当加入溶质后,溶剂的表面张力要发生变化。把溶质在表面层中与本体溶液中浓度不同的现象称为溶液的表面吸附。使表面张力降低的物质称为表面活性物质。用吉布斯公式(gibbs)表示:图20-2最大气泡法表面张力测定装置式中:为表面吸附量(mol.m-2),σ为表面张力(j.m-2)。表示在一定温度下表面张力随浓度的改变率。即:0,溶质能降低溶剂的表面张力,溶液表面层的浓度大于内部的浓度,称为正吸附作用。0,г0,溶质能增加溶剂的表面张力,溶液表面层的浓度小于内部的浓度,称为负吸附作用。由此,测定溶液的浓度和表面张力,可以求得不同浓度下溶液的表面吸附量。如图20-2是最大气泡法测定表面张力的装置示意。待测液体置于支管试管中,使毛细管端面与液面相切,液面随毛细管上升。打开滴液漏斗缓慢抽气。此时,由于毛细管液面所受压力大于支管试管液面所受压力,毛细管液面不断下降,将从毛细管缓慢析出气泡。在气泡形成的过程中,由于表面张力的作用,凹液面产生一个指向液面外的附加压力△p,因此有以下关系:p大气=p系统+△p附加压力与表面张力成正比,与气泡的曲率半径r成反比。图20-3气泡形成过程若毛细管管径较小,则形成的气泡可视为球形。气泡刚形成时,由于表面几乎是平的,所以曲率半径r极大;当气泡形成半球形时,曲率半径r等于毛细管半径r,此时r值最小。随着气泡的进一步增大,r又趋增大,直至逸出液面。r=r时,附加压力最大:最大附加压力由数字微压差计或u型管压差计读出。用数字微压差可以直接读出压差的值(pa),体系的导气管接数字微压差计的负压口(l),正压口(h)与大气相通。若用u型管压差计,压差则以△hm表示。下式中,ρ为工作介质密度,g为重力加速度,则:△pm=△hmρgσ=r△hmρg在实验中,使用同一支毛细管和压差计,rρg为常数(仪器常数),用k表示,即:σ=k△hm。用已知表面张力的液体作为标准,可以测得仪器常数k,也可以测定其它求知液体的表面张力。吸附量与浓度之间的关系可以用langmuir等温吸附方程式表示:(20-4)γ∞为饱和吸附量,k为经验常数。将上式整理得:(20-5)以c/г∞对c作图可得到一条直线,其斜率的倒数为г∞。如果以n代表1平方米表面层的分子数,则(20-6)式中na为avogadro常数,则每个分子的截面积a∞为:三、仪器和试剂恒温槽装置;数字微压差计(或u型管压差计)滴液漏斗(250rnl)l个;支管试管(φ25×20cm)毛细管(0.2~0.3mm)1支;烧杯(250ml)t形管1个;重蒸馏水正丁醇(ar);四、实验步骤1.仪器常数的测定:(1)仔细洗净支管试管与毛细管,连接装置。(2)加入适量的重蒸馏水于支管试管中,毛细管端面与液面相切。恒温(200c)20分钟。(3)打开滴液漏斗缓慢抽气,使气泡从毛细管缓慢逸出,调节逸出气泡每分钟20个左右。读出压差计最大高度差,读3次,取平均值。2.待测样品表面张力的测定:配制从0.02~0.80mol.l-1系列(0.025,0.05,0.10,0.15,0.20,0.25,0.30,0.40,0.60,0.80)的正丁醇溶液。(正丁醇ρ=0.8109)可先配制0.80mol/l的溶液,其它的浓度用稀释的办法配制。3.用待遇测溶液洗净支管试管和毛细管后,方法同1,装入待测样品,测定气泡缓慢逸出时的最大压差。五、数据记录与处理由于需要在实验数据绘制的曲线图上作切线,求斜率,手工作图将会有很大的随意性并带来误差,因此应该用计算机处理数据。用matlab处理实验数据的方法见ii部分第一章第6节有关内容。以下是手工处理数据的步骤:1.计算仪器常数并计算溶液的表面张力。2.以浓度c为横坐标,以σ为纵坐标作图,横坐标从0开始,连成光滑曲线。3.在曲线上取若干(0.03,0.05,0.10,0.15,0.20,0.30,0.40,0.60)点,求其斜率。m=结果正确的关键在于曲线光滑和切线的确定。如是手工处理,画切线可采用镜面反射法(图20-4)。4.根据吉布斯方程求吸附量。图20-4作图求示意5.表列出c、г、、c/г的对应数据。6.以c/г对c作图,从直线的斜率求出г∞,并计算出正丁醇分子的截面积a∞。六、注意事项1.测定时毛细管及支管试管应洗涤干净,否则气泡不能连续形成,而影响最大压差的测量。2.测定时毛细管端刚好和溶液面相切。3.u形压力计应选用酒精或水压计。4.控制好滴液漏斗的放液速度,以利于读数的准确性。5.数字微压差仪的测压接口在仪器后的面板上。使用时,先将仪器按要求连接在实验系统上(注意实验系统不能漏气),再打开电源预热10min,即可进行测量。仪器上显示的数字即为实验系统与大气压之间的压差值。七、思考题1.表面张力为什么必须在恒温槽中进行测定,温度变化对表面张力有何影响,为什么,2.实验如用u型管压差计,工作液应选什么为宜?3.用最大气泡法测量表面张力时为什么要读最大压差?4.滴液漏斗的放液速度对本实验有何影响?八、使用《管理系统》本实验中压差测量采用微压差计,通过串口与计算机通讯。1、压差测量(图20-5)首先进行仪器常数测定。准备好实验,精密压差仪置0,开始减压后,点击序号"1",系统开始记录。记录3分钟完成。再进行第2、3次测定,最后求"平均"、"保存数据"。如果实验失败,选择"放弃"。图20-6仪器常数与表面张力确定图20-5压差测量未知试样测定与仪器常数测定类似。2、数据处理(1)仪器常数与表面张力确定(图20-6)确认实验人,"调入数据"。确认有关仪器常数数据,计算出仪器常数。提供计算表达式后,"计算"出未知试样的表面张力,"保存/退出"。(2)拟合函数选择本实验需要从表面张力与浓度的关系得出表面吸附量与浓度的关系,系统采用多项式拟合出适当的函数关系,然后计算指定浓度的导数的值,使结果更具有客观性,同时学生对非线性拟合也有了更形象的了解。系统(图20-7)提供了几种拟合方式:σ~c、σ~lnc、σ~sqrt(c)。选择一种方式,输入拟合阶数,点击"拟合"。系统自动进行拟合,并显示拟合的结果。根据图形很容易判断拟合的效果。如果不满意,可以重新选择条件,再进行拟合。满意后,点击"确认"。图20-7多项式拟合图20-8吸附量与浓度关系学生需根据拟合的结果,写出拟合多项式。根据吉布斯吸附等温式和拟合多项式,提供计算吸附量的表达式,点击"斜率计算",系统自动计算,并进入吸附量界面,显示斜率和吸附量的计算结果,并给出吸附量与浓度关系图(图20-8)。确定最大吸附量的数值,并需要提供计算溶质分子截面积的计算式。九、进一步考虑的问题一般教科书都用上式来分析г―c的关系,并将г∞称为饱和吸附量。但是,表面吸附量г的概念是一种表面超量(表面过剩),是指单位面积的表层中所含溶质的量与具有相同质量溶剂的本体溶液中所含溶质的量之差。因此从表面超量角度理解,当浓度较低时,由于溶质(具表面活性)优先排布在溶液表面层,使г随浓度增加而增加。当浓度增大到一定值后,再增加溶质浓度,必定使溶质在表面层的浓度与在体相中的浓度之差越来越小,直到浓度无限大时,这个差值为零。因此吸附量г达到极大值后,会逐渐减少,直到г∞=0。显然上式没有体现这一特征。参考文献boratorymanualofpysicalchistry.p.32(1964)2.f.daniels.experimentalphysicalchsistry.fiftheditionp.51(1956)3.斯.阿.巴列金著,物理化学和肢体化学实验,第106―116页,人民教育出版社(1960)。4.陈纪岳,推导一个表面张力等温式,化学研究与应用,11卷第3期p.328-330(1999)

实验二十三 最大气泡法测定溶液表面张力的测定

1 实验目的

(1) 测定不同浓度正丁醇溶液的表面张力，计算吸附量。

(2) 掌握最大气泡法测定溶液表面张力的原理和技术。

(3) 了解气液界面的吸附作用，计算表面层被吸附分子的截面积及吸附层的厚度。

2 实验原理

从热力学观点来看，液体表面缩小是一个自发过程，这是使体系总自由能减小的过程，欲使液体产生新的表面ΔS，就需对其做功，其大小应与ΔS成正比:

SW' (1)

如果ΔS为1m2，则-W′=σ是在恒温恒压下形成1m2新表面所需的可逆功，所以σ称为比表面吉布斯自由能，其单位为J·m-2。也可将σ看作为作用在界面上每单位长度边缘上的力，称为表面张力，其单位是N·m-1。在定温下纯液体的表面张力为定值，当加入溶质形成溶液时，表面张力发生变化，其变化的大小决定于溶质的性质和加入量的多少。水溶液表面张力与其组成的关系大致有三种情况：

①随溶质浓度增加表面张力略有升高；

②随溶质浓度增加表面张力降低，并在开始时降得快些；

③溶质浓度低时表面张力就急剧下降，于某一浓度后表面张力几乎不再改变。

以上三种情况溶质在表面上的浓度与体相中的都不相同，这种现象称为溶液表面吸附。根据能量最低原理，溶质能降低溶剂的表面张力时，表面层中溶质的浓度比溶液内部大；反之，溶质使溶剂的表面张力升高时，它在表面层中的浓度比在内部的浓度低。在指定的温度和压力下，溶质的吸附量与溶液的表面张力及溶液的浓度之间的关系遵守吉布斯(Gibbs)吸附方程:

(2)

式中，Г为溶质在表层的吸附量;σ为表面张力;C为吸附达到平衡时溶质在介质中的浓度。

当 <0时，Г>0称为正吸附；当 >0时，Г<0称为负吸附。通过实验若能测得表面张力与溶质浓度的关系，则可作出－C 或 lnC 曲线，并在此曲线上任取若干点作曲线的切线，这些切线的斜率就是与其相应浓度的TC)(或TC)ln(，将此值代入2式便可求出在此浓度时的溶质吸附量Γ。吉布斯吸附等温式应用范围很广，但上述形式仅适用于稀溶液。 引起溶剂表面张力显著降低的物质叫表面活性物质，被吸附的表面活性物质分子在界面层中的排列，决定于它在液层中的浓度，这可由图4.1看出。图4.1中(1)和(2)是

物化实验—表⾯张⼒的测定-最⼤⽓泡法.

实验13溶液表⾯张⼒的测定最⼤压⼒⽓泡法1 引⾔

1.1实验⽬

1.1.1 明确表⾯张⼒、表⾯⾃由能和吉布斯吸附量的物理意义。

1.1.2 掌握最⼤压⼒⽓泡法测定表⾯张⼒的原理和技术。

1.1.3 计算表⾯吸附量和吸附质分⼦的截⾯积。

1.2实验原理

在液体内部，任何分⼦受周围分⼦的吸引⼒是平衡的。可是表⾯层的分⼦受内层分⼦的吸引与受表⾯层外介质的吸引并不相同，所以，表⾯层的分⼦处于⼒不平衡状态，表⾯层的分⼦⽐液体内部分⼦具有较⼤势能，如欲使液体产⽣新的表⾯，就需要对其做功。在温度、压⼒和组成恒定时，可逆地使表⾯积增加dA所需做的功为

（1）

⽐例系数表⽰在等温等压下形成单位表⾯所需的可逆功，其数值等于作⽤在界⾯上每单位长度边缘的⼒，称为表⾯张⼒。

纯物质表⾯层的组成与内部的组成相同，因此纯液体降低表⾯⾃由能的唯⼀途径是尽可能缩⼩其表⾯积。对于溶液，由于溶质使溶剂表⾯张⼒发⽣变化，因此可以调节溶质在表⾯层的浓度来降低表⾯⾃由能。

根据能量最低原则，溶质能降低溶剂的表⾯张⼒时，表⾯层溶质的浓度⽐溶液内部⼤；反之，溶质使溶剂的表⾯张⼒升⾼

时，表⾯层溶质的浓度⽐内部的浓度低。这种表⾯浓度与溶液内部浓度不同的现象叫做溶液的表⾯吸附。显然，在指定的温度和压⼒下，溶质的吸附量与溶液的浓度及溶液的表⾯张⼒随浓度的变化率有关，从热⼒学⽅法可知它们之间的关系遵守吉布斯公

式：

（2）

式中：为表⾯吸附量（）；为表⾯张⼒（）；为溶质的浓度

（）；为热⼒学温度（K）；为⽓体常数（8.314）。

值可正可负，正值为正吸附，负值为负吸附。显然，不仅能表明吸附的性质，⽽且其值还能说明表⾯吸附的程度：＝0表明

⽆吸附现象；其值越远离0，表明吸附程度越⼤。

溶于液体中使表⾯张⼒降低的物质称为表⾯活性物质，反之，称为⾮表⾯活性物质。在⽔溶液中，表⾯活性物质有显著的不对称结构，它是由极性（亲⽔）部分和⾮极性（憎⽔）部分构成的。在⽔溶液表⾯，⼀般极性部分取向溶液内部，⽽⾮极性部分则取向空⽓部分。